具有高机械性能的助长型聚丙烯泡沫材料

《Materials Advances》：Auxetic polypropylene foams as high mechanical performance materials

　　本研究专注于利用真空和机械压缩（VMC）技术将聚丙烯（PP）泡沫转化为负泊松比（NPR）的辅助材料。初始密度为45 kg/m3的PP泡沫经过热处理、真空处理和机械压力处理，形成了重新进入式的细胞结构，这是产生负泊松比的必要条件。处理后的泡沫表现出显著提高的硬度，使其适用于体育和军事防护等领域。通过对真空和机械压缩的参数进行优化，以实现最佳的辅助材料性能。处理后的泡沫在密度、孔隙率、开孔率（OCC）、细胞形态、泊松比（ν）和机械性能方面进行了表征。优化的辅助泡沫具有较高的密度（100–133 kg/m3），在拉伸（-0.23）和压缩（-0.08）变形下均表现出负泊松比。更重要的是，其韧性提高了438%，弹性极限也增加了200%。此外，在50%的压缩应变下，压缩应力提高了416%。最后，热机械数据显示，辅助PP泡沫的性能随温度的升高而进一步提升。

1. 引言

超材料是一类以其非传统性质而著称的材料，这些性质源自其工程化的微观结构。由于独特的几何形状和空间分布，这些材料表现出非传统的行为。辅助材料是超材料的一个有趣子集，其特征是具有负泊松比（NPR）。这类材料在拉伸时向外膨胀，在压缩时向内收缩，这与大多数具有正泊松比（PR）的材料的行为相反。辅助泡沫在抗冲击性、能量吸收和高灵活性等广泛应用中具有优异的机械性能。这些优势还包括：

1. 负泊松比（NPR）：辅助泡沫在受压时表现出更好的稳定性和抗变形能力，使其在高压环境中更加坚固。

2. 增强的能量吸收：这一特性在需要冲击保护的应用中非常宝贵，如防护装备、包装材料和汽车零部件，因为辅助泡沫能够更有效地吸收和分散冲击能量。

3. 通过提高韧性：辅助泡沫的结构改善了耐用性，减少了在高应力下的失效可能性，因为它们能更好地抵抗裂纹的扩展。

4. 增加的剪切模量和阻尼：辅助材料表现出更高的剪切模量和阻尼因子，使其在隔音、缓冲和振动控制方面具有吸引力。基于这些特性，辅助泡沫非常适合医疗领域（假体和矫形器）、航空航天、建筑和体育设备等各种应用，这些领域对灵活性、耐用性和抗冲击性要求很高。

生产辅助聚合物泡沫的一种方法是通过不同的处理手段修改标准的细胞形态，以生成重新进入式的结构。重新进入式的结构具有向内倾斜的细胞壁，这是实现负泊松比的基本条件。现有的方法基于热处理、物理处理、化学处理和机械处理，可以单独使用或结合使用。将常规聚合物泡沫转化为辅助泡沫的过程包括将泡沫置于接近基体软化温度的条件下的热处理，然后进行机械压缩以变形细胞结构，最后在压缩状态下冷却以固定重新进入式的结构，从而赋予辅助材料性能。

研究人员已经成功地将多种类型的聚合物泡沫转化为辅助材料，包括聚酰胺（PA）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚酯（PES）、聚醚脲（PU）、聚氯乙烯（PVC）以及不同等级的聚乙烯（PE）。先前的研究表明，应用真空和机械压缩（VMC）技术可以容易地将回收的聚合物泡沫转化为具有负泊松比的辅助材料。例如，低密度（28 kg/m3）的回收聚丙烯（PP）泡沫成功地转化为了辅助材料。本研究使用VMC方法将常规PP泡沫（45 kg/m3）转化为具有增强韧性的辅助超材料。与早期关于低密度聚乙烯（LDPE）和聚苯乙烯（PS）泡沫的研究不同，本研究解决了高密度PP泡沫在可压缩性和抗永久结构重构能力方面的挑战。本研究不仅关注辅助性能，还探讨了其机械性能。研究结果证实了将VMC方法扩展到更硬和不易变形的聚合物系统的可能性，从而扩大了其在工程辅助材料中的应用范围，包括军事、体育和休闲防护装备等领域。因此，本研究探索了机械应力、真空时间和压缩水平对最终泡沫结构优化的影响，并测量了拉伸和压缩下的机械性能，这对于辅助材料来说非常重要。

2. 材料与方法

2.1. 材料

本研究选择了聚丙烯（PP）泡沫作为研究对象。起始材料（板材）购自McMaster-Carr（美国）。该泡沫由膨胀聚丙烯颗粒压缩而成，具有较高的化学腐蚀和防潮性能，这归因于PP的独特化学性质。样品由90%的PP和10%的炭黑（CB）组成。泡沫最初是通过膨胀聚丙烯珠粒制造的，形成了蜂窝结构。所使用的样品初始密度为45 kg/m3，尺寸为120 cm × 60 cm × 25 mm。所有处理都在Cole-Parmer公司的OVV-400-24-120可编程真空烤箱（24 L）中进行。

2.2. 方法

PP泡沫经过以下一系列处理：首先，使用刻刀将材料切割成10 cm × 10 cm × 2.5 cm的块状。然后，每个样品放置在140 °C的真空烤箱中加热1小时。选择这个温度是因为它接近PP的软化温度（90–100 °C），但低于其熔点（142 °C）。接下来，在140 °C下施加真空（-0.88 bar）不同时间（15–48小时），之后进行减压步骤以恢复到常压（1 atm）。还使用不同重量的金属块对样品施加机械压力（0–9 kPa）。处理后，每个样品在烤箱内冷却1–2小时，同时施加机械压力。VMC过程中泡沫的最终体积由温度升高引起的膨胀与真空/机械压力（重量）之间的平衡决定。PP泡沫的初始密度为45 kg/m3，作为所有样品的基准（表1）。每个样品的编号包括“PP”表示泡沫类型，后跟“T”表示处理温度（T140表示140 °C），接着是一个数字表示真空处理时间（15–48小时），最后是“P”后跟施加的机械压力（千帕，kPa）。例如，样品PP-T140-24-P5表示在140 °C下经过24小时、5 kPa机械压力处理的PP泡沫。表1展示了原始泡沫和辅助泡沫的物理性能。

表1：原始泡沫和辅助泡沫的物理性能总结

| 样品 | 尺寸（cm × cm × cm） | 密度（kg/m3） | 孔隙率（%） | 开孔率（OCC）% |
|-----------------|-----------------|------------|----------|-----------|
| PP-O | 10 × 10 × 2.5 | 45 ± 1 | 95 ± 1 | 7.4 ± 0.1 |
| PP-T140-24-P0 | 7.7 × 7.7 × 1.9 | 100 ± 4 | 89 ± 3 | 7.0 ± 0.3 |
| PP-T140-24-P3 | 7.5 × 7.6 × 1.9 | 103 ± 6 | 89 ± 6 | 6.6 ± 0.4 |
| PP-T140-24-P5 | 7.2 × 7.2 × 1.7 | 126 ± 3 | 86 ± 3 | 6.0 ± 0.4 |
| PP-T140-24-P9 | 7.3 × 7.3 × 1.6 | 132 ± 8 | 86 ± 5 | 6.3 ± 0.4 |
| PP-T140-18-P3 | 7.7 × 7.7 × 1.9 | 100 ± 5 | 90 ± 4 | 6.8 ± 0.3 |
| PP-T140-48-P3 | 7.4 × 7.4 × 1.8 | 114 ± 10 | 87 ± 8 | 6.4 ± 0.5 |

2.3. 表征

详细的表征信息见附录SI，更多相关信息可在先前的研究中获得。

3. 结果与讨论

3.1. PP泡沫的物理性能

表1总结了泡沫的物理性能，包括尺寸变化、泡沫密度、孔隙率和开孔率（OCC）。根据表1，样品的尺寸在处理后有所减小。例如，厚度减少了24–36%，而长度和宽度的收缩率相似（23–38%）。因此，长度、宽度和厚度的收缩相对均匀。随着机械压力的增加和处理时间的延长，辅助泡沫的密度最初有所增加。这种行为是预期的，因为更大的压力会使泡沫进一步压缩，从而在固定时间和温度下获得更高的最终密度。但是，更长的时间会导致细胞壁间的压力差增大，形成更加明确的重新进入式结构，使泡沫密度更高。例如，PP-T140-48-P3的密度（114 kg/m3）高于PP-T140-18-P3（100 kg/m3）。此外，PP-T140-24-P0的孔隙率（89%）低于PP-O（95%），但高于PP-T140-24-P5（86%）和其他处理过的样品（86%）。开孔率（OCC）显示出两个明显的区域：原始PP泡沫的OCC为7.4%，而处理过的样品的OCC范围在6%到7%之间。这种小的变化表明泡沫细胞主要变形为重新进入式结构，没有发生细胞破裂。

3.2. 辅助泡沫

3.2.1. 形态学

图1展示了处理前后PP泡沫横截面的典型SEM显微图。原始泡沫（图1A）显示出整个样品中均匀分布的小细胞，主要表现为封闭的蜂窝结构。平均细胞尺寸为165 ± 22 μm，与文献中的报道一致。

图1：（A）原始泡沫（PP-O）以及选定的辅助泡沫：（B）PP-T140-24-P0，（C）PP-T140-24-P3和（D）PP-T140-24-P9的横截面形态。从处理过程中可以看出，细胞发生了显著变化，形成了重新进入式结构。图1B中的细胞比图1A中的小，部分细胞显示出重新进入式结构。图1C和D显示大多数细胞向内塌陷，形成了复杂的几何结构，使得测量细胞尺寸变得困难。尽管存在这些差异，但它们的结构仍然相似。

3.2.2. 机械性能

3.2.2.1. 应力-应变曲线

图2比较了处理前后原始泡沫和辅助泡沫的拉伸应力-应变曲线。这些曲线展示了拉伸测试过程中工程应力与工程应变之间的关系。相应的机械性能，包括拉伸模量、拉伸强度、断裂应变、韧性和弹性极限在表2中进行了总结。

表2：PP辅助泡沫的拉伸性能

| 样品 | 密度（kg/m3） | 模量（kPa） | 强度（kPa） | 断裂应变（%） | 韧性（MPa） | 弹性极限（kPa） |
|-----------------|-----------|---------|--------------|-------------|-------------|------------|
| PP-O | 45 | 22.2 ± 0.9 | 149 ± 6 | 8.6 ± 1.1 | 1.07 | 40 |
| PP-T140-24-P0 | 100 | 24.6 ± 0.6 | 228 ± 6 | 13.9 ± 0.8 | 2.90 | 55 |
| PP-T140-24-P3 | 105 | 30.8 ± 0.8 | 257 ± 7 | 13.3 ± 0.6 | 3.54 | 68 |
| PP-T140-24-P5 | 109 | 31.4 ± 0.9 | 324 ± 9 | 28.7 ± 0.2 | 5.76 | 75 |
| PP-T140-24-P9 | 133 | 48.3 ± 1.3 | 337 ± 11 | 9.8 ± 0.5 | 4.17 | 120 |

正如预期的那样，随着密度的增加，杨氏模量和拉伸强度也随之增加，因为更多的材料可以承受施加的应力。这种关系与材料的数量（密度）成正比，这与文献中的报道一致。另一方面，断裂时的伸长率随着密度的增加而减小。然而，辅助泡沫的断裂伸长率（13.9%至28.7%）高于原始泡沫（8.6%），表明它们的延展性更好，即在断裂前具有更大的变形能力。韧性是指材料在断裂前吸收能量的能力。对于辅助泡沫而言，增加密度通常会提高韧性。例如，PP-T140-24-P5的韧性为5.76 MPa，比PP-O（1.07 MPa）提高了438%。这是由于辅助泡沫独特的内部结构，使其在拉伸时能够更均匀地分布应力，与传统材料不同。更紧凑的结构也提高了抗冲击强度，使得 Auxetic 泡沫在高应力下变得非常有趣。Auxetic 泡沫的增强韧性归因于其在应力下保持稳定性和防止结构崩溃的能力，这直接提高了它们相对于传统泡沫的整体韧性。弹性极限反映了材料在变形后恢复到原始形状的能力。由于其独特的结构，Auxetic 泡沫可以在达到弹性极限之前承受更高的应力，表明在机械载荷下的性能更优越。例如，PP-T140-24-P9 的弹性极限为 120 kPa，比 PP-O（40 kPa）提高了 200%。还检查了压缩力学性能，重点关注了不同应变（5% 和 50%）下的模量和应力。应力-应变曲线显示在图 3 中，相应的结果在表 3 中。PP-O 的模量高于大多数 Auxetic 泡沫，除了 PP-T140-24-P9，尽管 Auxetic 泡沫的密度更高。图 3

原始（PP）和 Auxetic 泡沫的压缩应力作为压缩应变的函数。表 3

PP Auxetic 泡沫的压缩性能




样品
密度（kg m?3）
模量（MPa）
5% 应变时的应力（MPa）
50% 应变时的应力（MPa）




PP-O
45
3.3 ± 0.6
0.07 ± 0.01
0.25 ± 0.09




PP-T140-24-P0
100
1.6 ± 0.4
0.07 ± 0.02
0.77 ± 0.19




PP-T140-24-P3
105
2.2 ± 0.5
0.10 ± 0.03
0.78 ± 0.18




PP-T140-24-P5
109
2.4 ± 0.7
0.12 ± 0.03
0.82 ± 0.24




PP-T140-24-P9
133
4.8 ± 1.1
0.21 ± 0.05
1.04 ± 0.23




PP-O 的应力-应变曲线有三个明显的区域：线性弹性部分、一个平台期和指数增长期（图 3）。相比之下，Auxetic 泡沫没有明显的平台期，只显示指数增长。在小的变形（≤5%）时，由于细胞壁的弯曲，应力和应变是成正比的。然而，Auxetic 泡沫在小的变形下表现出较低的抵抗力，因为它们的细胞壁已经向内弯曲。但在压缩超过 50% 时，由于细胞壁的屈曲，泡沫在应力增加很少的情况下就发生崩塌。这种缺乏平台期的现象与细胞肋条在重新进入结构中已经向内弯曲并进一步弯曲而不是屈曲有关。50% 应变时的应力与存在的材料量（密度）成正比。总体而言，表现最好的 Auxetic 泡沫（PP-T140-24-P9）在 50% 应变时的应力比 PP-O 提高了 416%。了解这些力学性能和密度的影响对于仔细选择它们的最终应用非常重要。对于图 2、3 中展示的力学性能以及在表 2 和表 3 中总结的内容，需要注意的是，VMC 处理过的样品与未经处理的 PP-O 样品相比，可能会在形状和尺寸上发生轻微变化。这些变化可能会影响测量的力学响应，包括抗拉强度、应变和韧性。为了考虑这种效应，所有样品的后处理尺寸都经过了仔细测量，并在表 1 中报告。测量是在从烤箱中取出后至少 24 小时进行的，以确保泡沫结构的完全稳定（热和力学上的）。根据我们的观察，在额外的几天内没有明显的尺寸变化，证实处理过的样品达到了稳定配置（平衡状态）。这种尺寸稳定性可以归因于 PP 的半结晶性质及其在冷却到结晶温度以下时相对较低的热收缩率（生产商的技术规格数据表报告热稳定性线性尺寸变化 <0.1%）。VMC 处理过的样品中的聚合物链在冷却过程中固定在重新配置的细胞几何结构中，防止了随后的松弛或变形。因此，处理后的尺寸变化可以忽略不计，不影响比较力学测试结果。因此，VMC 处理过的 PP 泡沫的改进力学性能主要与泡沫细胞的重新配置有关，而不是样品几何形状/尺寸的差异。



3.2.2.2. Auxetic 聚丙烯泡沫的热机械行为

等规聚丙烯（PP）的玻璃转化温度（Tg）通常在 -10 °C 到 0 °C 之间，而其熔化温度（Tm）在 160 °C 到 170 °C 之间，这取决于结晶度和加工条件。在 Tg 以下，非晶区域是刚性和脆性的，而在 Tg 以上，链段运动开始，尽管材料由于其结晶相而仍然保持固态。熔化过程与结晶层片的解体有关，等规 PP 的 Tm 约为 165 °C。在这个温度附近，结晶滑移和部分非晶化的开始对应于储能模量（E′）的显著下降。随着温度的升高，PP 的拉伸储能模量（E′）逐渐降低，反映了聚合物的软化。这种减少是由于非晶区域的链段移动性和结晶域内的层片滑移增加，两者都降低了弹性响应。在更高的温度下，部分熔化和结晶域的结构重组进一步降低了 E′（图 4）。

(A) Auxetic PP 泡沫的拉伸储能模量（E′）和 (B) tanδ 随温度的变化。图 5 展示了 Auxetic PP 泡沫的压缩储能模量（E′）随温度的变化。所有样品的 E′ 值随着温度的升高而逐渐降低，反映了聚丙烯的热软化。与未经处理的 PP 泡沫（PP-O）相比，Auxetic 泡沫（PP-140-24-P0 至 P9）在研究的温度范围内显示出显著更高的 E′ 值，这表明由于细胞结构的致密化和重新进入性而具有更高的刚性。E′ 随着辅助转变程度的提高（从 P0 到 P9）而增加，显示出结构增强效应。在 120 °C 以上，随着材料接近 PP 晶体的熔化区域，E′ 出现急剧下降。图 5



(A) Auxetic PP 泡沫的压缩储能模量（E′）和 (B) tanδ 随温度的变化。在 Auxetic PP 泡沫中，细胞壁的软化不仅影响聚合物基质，还降低了刚性的几何贡献，导致宏观 E′ 的下降速度比传统泡沫快。尽管如此，Auxetic 改性在低和中等温度下改善了拉伸刚性，其中 PP-140-24-P9 在测试样品中显示出最高的 E′。但在高温度（约 100 °C）下，所有泡沫显示类似的低 E′ 值（约 0.5–1 MPa），表明随着聚合物接近其软化点，辅助结构优势丧失。总体而言，这些结果表明 Auxetic 泡沫在室温和更高温度下的力学性能更好，但这种刚性提高随着温度的升高而降低。这些结果也可以通过 tanδ（损耗正切）来分析，它是通过动态力学分析（DMA）测量的损耗模量和储能模量之间的比率。这个参数提供了关于材料阻尼行为的信息，这对于缓冲、抗冲击强度和振动减震是必需的。较高的 tanδ 值与较高的能量耗散（更粘性的响应）相关，而较低的 tanδ 则表明更弹性的行为。如图 4 和 5 所示，tanδ 随温度略有增加，所有样品都显示出相似的趋势和值。这种行为是可以预期的，因为温度的升高降低了弹性响应并增强了分子移动性，从而导致更高的 tanδ。在研究的温度范围内，没有观察到样品的明显拐点或转变，因为这个范围位于所有样品的玻璃转化温度（Tg）和熔化温度（Tm）之间。在所有情况下，辅助性似乎不会改变这个参数，因为所有曲线（处理和未经处理的样品）在实验不确定性范围内都有相似的值。



3.2.3. 泊松比

PR 的详细分析在补充信息（SI）中提供。为了简洁起见，这里只提供一般性的讨论。PP 泡沫的 PR 是通过测量拉伸和压缩获得的，这两个方向都是沿着纵向（X）施加变形时的横向（Y）和厚度（Z）。在这项研究中，PP 泡沫是刚性的并且各向同性的，密度为 45 kg m?3。拉伸方向上的泊松比在拉伸伸长率达到 10% 时被确定为 0.08（图 S1）。但是压缩方向上的平均泊松比为 0.1，表明 PP 泡沫是各向同性的，并且在拉伸比压缩表现出更高的抗变形能力。这个结果与我们之前对回收 PP 泡沫的研究不同（密度为 28 kg m?3），7，在压缩时测得的 PR 为 0.08，在拉伸时为 0.28。然而，Rinde 报告说，在低于 10% 的应变下，PP 泡沫的拉伸泊松比为 0.25，拉伸时的值高于压缩时的值，后者接近于零。29 这些差异必须与泡沫的形态有关。对于图 S2 中显示的 Auxetic 泡沫，在拉伸应变低于 25% 时，PR 是负值。泊松比随着工程应变的增加而增加，尽管曲线并没有显示出与轴向应变的线性依赖性。这种行为与 Evans 等人30 和 Lake 等人的结果30一致，尽管使用了不同的材料（分别是膨胀的聚四氟乙烯和混合的聚氨酯-聚酯泡沫），并且结构也非常不同。这种趋势也被报道过对于 NPR 泡沫8,30–32。

图 6 展示了在拉伸载荷（1.2 mm min?1）下三种聚丙烯（PP）样品（PP-O、PP-140-24-P5 和 PP-140-24-P3）在不同时间（2 s 到 150 s）的一系列图像。展示了每个样品的变形，包括随时间变化的宽度和长度。对于每张图像，表 4 报告了通过 ImageJ 确定的长度、宽度以及相应的即时泊松比（PR 或 NPR）。PP-O（常规 PP）在时间段（2–150 s）内将其长度从 30.0 mm 增加到 33.0 mm，而其宽度从 12.9 mm 减少到 12.7 mm，导致泊松比为正（从 0.07 增加到 0.18），这与常规材料一致。另一方面，PP-140-24-P3 和 PP-140-24-P5（处理过的样品）随着时间的推移长度和宽度都有所增加。例如，PP-140-24-P3 的长度从 25.0 mm 增加到 28.3 mm，而宽度从 12.17 mm 增加到 12.41 mm。这种行为对应于负的泊松比（NPR），其值低至 -0.33。对于 PP-140-24-P5，值稍微不那么负（降至 -0.23）。这表明材料是辅助性的，但程度低于 PP-140-24-P3。这些结果表明 VMC 方法成功地生产了 NPR 泡沫，并且处理条件控制了最终辅助属性，因为泡沫的形态与原始样品不同。图 6



选定的样品（PP-O、PP-140-24-P5 和 PP-140-24-P3）在拉伸变形（1.2 mm min?1）下的典型图像，随时间变化。表 4

各种时间下的选定样品的长度和宽度，以及它们相应的泊松比




时间（秒）
PP-O
PP-140-24-P3
PP-140-24-P5




长度（毫米）
宽度（毫米）
PR（负）
长度（毫米）
宽度（毫米）
NPR（负）
长度（毫米）
宽度（毫米）
NPR（负）





2
30.0
12.9
—
25.0
9.41
—
25.0
12.17
—




30
30.6
12.9
0.07
25.5
9.46
?0.23
25.5
12.27
?0.33




60
31.2
12.8
0.18
26.4
9.51
?0.22
26.4
12.30
?0.17




90
31.8
12.8
0.15
27.1
9.56
?0.23
27.1
12.33
?0.17




120
32.4
12.7
0.17
27.3
9.55
?0.16
27.3
12.34
?0.14




图 7 展示了原始 PP 泡沫（PP-O）和典型的辅助泡沫（PP-140-24-P3）在选定时间间隔内的拉伸变形行为。对于每个样品，显示了在一轴拉伸载荷下的长度和宽度的变化。原始 PP 泡沫在长度增加时表现出轻微的横向收缩，对应于一个小的但正的泊松比。另一方面，辅助泡沫在拉伸变形时表现出轻微的横向膨胀，表明泊松比为负。图 7



在拉伸变形过程中，PP-O 和 PP-140-24-P3 在尺寸随时间变化方面的比较（恒定速率 1.2 mm min?1）。由于泊松比的绝对值很小，样品之间的视觉差异也很小。然而，测量到的尺寸变化与表6中报告的泊松比值一致，这表明在热机械处理后，材料从常规行为转变为负泊松比行为。尽管如此，该图表仅用于定性说明这种行为，而定量确认则通过测量得到的泊松比来提供。为了更好地可视化材料的改动，图7比较了PP-O和PP-140-24-P3在拉伸变形过程中样品尺寸（长度和宽度）的时间演变。由于每个样品都有其特有的尺度，因此图中直接显示了每个时间点的长度和宽度。对于原始的PP泡沫，泊松比（PR）为正数（0.08）。对于处理过的样品，结果非常相似：PP-T140-24-P5和PP-T14-24-P9几乎相同，最小泊松比为-0.08（表5中报告的值是三个样品的最小值的平均值）。随着压缩工程应变的增加，泊松比增加，并且在15-20%的应变范围内保持负值，之后增加到零和0.05。这一趋势与Choi等人和Lisieck等人的研究结果一致，尽管他们的原始材料是闭孔和开孔聚氨酯-聚酯泡沫的混合物（密度为30 kg m^-3）以及开孔PU泡沫（密度为25 kg m^-3）。轴向压缩应变与泊松比之间的关系是非线性的，这是由于凹陷结构（孔隙几何形状和大小）、施加的变形以及由此产生的泊松比之间的复杂相互作用所致。表5

基于PP泡沫的负泊松比样品的特性



样品
最终密度（kg m^-3）
压缩比（ρf/ρo）
最小泊松比（拉伸）
最小泊松比（压缩）
PP-O
45
1
0.08（平均值）
0.1（平均值）
PP-T140-24-P0
100
2.2
-0.12
-0.03
PP-T140-24-P3.0
103
2.3
-0.23
-0.06
PP-T140-24-P5.0
126
2.8
-0.22
-0.08
PP-T140-24-P9.0
132
2.9
-0.18
-0.08

据我们所知，除了我们之前的研究外，目前还没有关于使用类似本方法的后处理工艺生产聚丙烯泡沫负泊松比材料的研究。据报道，在拉伸载荷（-0.8至-1.5）和压缩载荷（-0.02至-0.32）下，获得了负泊松比。这些值是使用低密度废弃PP泡沫（28 kg m^-3）获得的，这些泡沫更容易变形，因此更倾向于表现出明显的负泊松比行为。为了比较，表6现在包括了文献中的结果，特别是“通过一步CO2发泡工艺制备聚丙烯负泊松比泡沫”的研究，该研究中负泊松比行为是通过直接发泡实现的。在这种情况下，泊松比的范围从-0.13到-0.46。由于负泊松比结构是通过根本不同的加工方法（直接发泡与后处理）生成的，因此直接的定量比较并不简单。表6

PP负泊松比泡沫的特性与文献结果的比较




原始泡沫密度（kg m^-3）
处理后密度（kg m^-3）
最小泊松比（拉伸）
最小泊松比（压缩）
参考PP泡沫-28
116
-1.50
-0.28
7
PP/NaCl*
—
-0.46
—
33
PP泡沫-45
103
-0.23
-0.06

4. 结论

本研究成功地利用真空和机械压缩（VMC）方法将常规聚丙烯（PP）泡沫转化为负泊松比超材料。该过程包括热处理、真空应用和机械压力，从而产生了对生成负泊松比（NPR）至关重要的凹陷蜂窝结构。优化的负泊松比泡沫表现出更高的密度、更低的孔隙率以及显著增强的韧性。例如，样品PP-T140-24-P5的韧性为5.76 MPa，比原始泡沫高出438%，弹性极限提高了200%。另一方面，PP-T140-24-P9在50%压缩应变下的应力（1.04 MPa）比原始泡沫（0.25 MPa）提高了416%。PP-T140-24-P9的拉伸和压缩储能模量（E′）在室温下分别提高了189%（18.4 MPa）和433%（0.86 MPa），而原始泡沫分别为6.3 MPa和0.14 MPa。处理过的样品的泊松比在拉伸应变达到25%时保持负值（最小值为-0.23），在压缩应变达到20%时也保持负值（最小值为-0.08）。这些结果证实了所获得的凹陷蜂窝形态的有效性。负泊松比泡沫还显示出了改进的拉伸强度（从228 kPa提高到337 kPa）和断裂伸长率（从8.6%提高到28.7%），表明了更好的延展性。这些增强的性能使得负泊松比PP泡沫非常适合需要坚固和高性能材料的应用，如体育和军事防护装备。由于它们的柔韧性、耐用性和抗性，负泊松比泡沫还可以应用于医疗假肢和矫形器、航空航天、建筑和体育器材等多个领域。未来工作应进一步探索优化这些参数的处理条件，并研究这些负泊松比泡沫在各个领域的潜在应用。还应进行更多表征测试，包括疲劳、蠕变、松弛和抗冲击性等。利益冲突

作者声明没有利益冲突。数据可用性

本研究生成或分析的所有数据都包含在已发表的文章及其补充信息（SI）文件中。补充信息可查看：DOI: https://doi.org/10.1039/d5ma01329a。参考文献